Analisis Penurunan Performa Heat Exchanger

Transkripsi

1 Analisis Penurunan Perfrma Heat Exchanger (Muchammad) ANALISIS PENURUNAN PERFORMA HEAT EXCHANGER STABILIZER REBOILER 0E0 DI PT. PERTAMINA REFINERY UNIT IV CILACAP Muchammad* Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Dipnegr Jl. Prf. H. Sedart, Tembalang, Kta Semarang * Abstrak Heat exchanger adalah alat penukar panas antar dua fluida berbeda temperaturnya dimana satu fluida memberikan panas dan yang lainnya menerima panas. Beban dan waktu kerja yang tinggi seringkali membuat alat ini mengalami penurunan perfrma, hal ini dapat berakibat pada penurunan kapasitas prduksi. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis penyebab utama terjadinya penurunan perfrma Heat Exchanger Stabilizer Rebiler 0E0 di PT. Pertamina Refinery Unit IV Cilacap, serta memberikan rekmendasi perbaikan alat tersebut. Metde yang digunakan dalam penelitian ini adalah inspeksi secara visual dan melakukan pengukuran ketebalan dinding pada bagian-bagian heat exchanger serta menghitung nilai faktr pengtrannya (fuling factr). Penurunan perfrma heat exchanger ini terjadi karena penyerapan panas yang kurang maksimal antara fluida pemanas (High Diesel Oil) dengan fluida yang dipanaskan (Naphtha) hal ini terjadi karena adanya ktran dan depsit yang menempel pada tube sehingga menghambat prses perpindahan panas antara fluida di luar dan di dalam tube, hal ini terlihat dari nilai faktr pengtran Rd = 0,007 ft hr F/BTU jauh lebih besar dari nilai tleransi yang diijinkan (fuling resistance) pada specificatin sheet yaitu 0,004 ft hr F/BTU. Dari analisis yang dilakukan maka untuk mengembalikan perfrma heat exchanger direkmendasikan perbaikan berupa pembersihan rutin setiap dua tahun sekali pada seluruh permukaan tube baik bagian luar maupun bagian dalam dengan menggunakan water jet (dengan campuran cairan chemical). Kata kunci: fuling factr, heat exchanger, rebiler, shell and tube PENDAHULUAN Minyak mentah merupakan campuran tersusun dari berbagai senyawa hidrkarbn yang sangat kmpleks. Untuk mendapatkan bahan bakar minyak seperti yang beredar dipasaran, senyawa hidrkarbn harus melewati berbagai rangkaian prses, diantaranya prses distilasi, knversi, dekmpsisi, pencampuran, recvery dan masih banyak lagi. Prses distilasi, yaitu prses penyulingan berdasarkan perbedaan titik didihnya, berlangsung di klm distilasi atmsferik dan klm destilasi vakum. Untuk mendidihkan senyawa hidrkarbn dalam prses penyulingan dibutuhkan unit alat pemanas berupa heat exchanger. Heat exchanger adalah alat penukar panas antar dua fluida berbeda temperaturnya dimana satu fluida memberikan panas dan yang lainnya menerima panas. Heat exchanger merupakan alat yang menerapkan prinsip perpindahan kalr. (Hlman, 986) Beban dan waktu kerja yang tinggi seringkali membuat alat ini mengalami penurunan perfrma, hal ini dapat berakibat pada penurunan kapasitas prduksi. Seperti yang terjadi pada Heat Exchanger Stabilizer Rebiler 0E0 telah mengalami penurunan perfrma dan berakibat pada hasil prduksi yang kurang maksimal. Mengacu pada permasalahan diatas dilakukan penelitian dan pengkajian dan evaluasi agar kapasitas prduksi tetap stabil. Alat penukar kalr yang di analisa adalah Heat Exchanger Stabilizer Rebiler 0E0 dengan fluida pemanas berupa High Diesel Oil (HDO) digunakan untuk memanaskan fluida naphtha yang akan memasuki Clumn Stabilizer 0C05, dimana unit berada pada area 0 FOC II PT. Pertamina (Perser) Refinery Unit IV Cilacap. Tujuan dari penelitian ini adalah () mengetahui ketebalan shell paling tipis yang didapat dari hasil pengukuran, () mengetahui ketebalan shell cver paling tipis yang didapat dari hasil pengukuran, (3) mengetahui penyebab utama penurunan perfrma heat exchanger, (4) menghitung nilai faktr pengtran (fuling factr), serta (5) mengetahui rekmendasi dan 7 e-issn

2 Mmentum, Vl. 3, N., Oktber 07, Hal ISSN perbaikan untuk mengembalikan perfrma heat exchanger. METODE PENELITIAN Dalam Penelitian Analisis Penurunan Perfrma Heat Exchanger Stabilizer Rebiler 0E0 dimulai dari studi literartur dan pengumpulan data spesifikasi dari heat exchanger yang akan digunakan untuk melakukan perhitungan. Selanjutnya adalah melakukan inspeksi, diantaranya adalah inspeksi visual untuk dapat diketahui kerusakankerusakan yang bersifat makr, adapun metde inspeksi yang lain adalah inspeksi ultrasnic thickness untuk mengetahui ketebalan permukaan heat exchanger dan memastikan spesifikasi dan kelayakan dari heat exchanger tersebut. Setelah didapat semua data dilakukan analisis dan perhitungan nilai factr pengtran untuk dapat mengetahui penyebab penurunan perfrma heat exchanger dan terakhir dibuat kesimpulan penelitian beserta rekmendasi yang dapat diberikan untuk mengembalikan perfrma heat exchanger. HASIL DAN PEMBAHASAN Evaluasi Perfrma Heat Exchanger Stabilizer Rebiler 0E0 Berdasarkan kndisi perasi aktual, terjadi penurunan perfrma Heat Exchanger 0E0 diindikasikan leh:. Terjadi penurunan temperature bttm pada Clumn Stabilizer 0C05 dari 90 C menjadi 80 C.. Terjadi kenaikan kebutuhan HDO (sebagai sebagai pemanas) dari 300 m3/hr menjadi 750 m 3 /hr. Kndisi saat pra turn arund menunjukkan adanya penurunan perfrmance Heat Exchanger 0E0 yang menyebabkan ff spec prduk. Teramati dari turunnya temperatur bttm stabilizer (0C05) dengan flw pemanas HDO meningkat seperti yang terlihat pada Gambar. Kndisi perfrma 0E0 pasca turn arund kembali mengalami penurunan perfrma secara gradual. Hal ini diindikasikan dengan bertambahnya flw pemanas yaitu HDO pump arund untuk mendapatkan target temperature bttm stabilizer 0C05 sesuai target, grafik penurunan perfrma pasca turn arund dapat dilihat pada Gambar. Gambar. Grafik Temperature Bttm dan Flw Bttm Pasca Turn Arund Penurunan suhu tersebut menyebabkan flw pemanas HDO mengalami kenaikan flw secara gradual dari 50 m 3 /hr menjadi 775 m3/hr untuk mendapatkan temperatur bttm target 90 C. Pasca iturn arund, temperature bttm Stabilizer 0C05 mengalami penurunan sampai 80 C. Berdasarkan desain material balance unit 0, flw HDO sebagai pemanas adalah sebesar 83 m 3/ hr. Pernurunan perfrma dari Heat Exchanger 0E0 tersebut terus berlanjut terhitung sampai tanggal Januari 07 sampai dilakukan stp unit sehingga dapat di inspeksi dan evaluasi untuk didapat hasil rekmendasi perbaikan agar perfrma dari heat exchanger kembali meningkat. Analisis Perfrma Heat Exchanger Stabilizer Rebiler 0E0 Terdapat beberapa parameter penyebab terjadinya penurunan perfrma pada Heat Exchanger Stabilizer Rebiler 0E0 yang akan dibahas satu persatu sebagai berikut. Analisis Perfrma Fluida Servis Analisis Laju Aliran Fluida Servis Semakin besar flw fluida menyebabkan laju aliran massa semakin besar dimana laju aliran massa didapat dari laju fluida dikalikan dengan densitasnya. Pada kasus Heat Exchanger 0E0 flw HDO sebagai pemanas sebesar 69,77 m 3 /hr sehingga: Gambar. Grafik Temperature Bttm dan Flw HDO Pra Turn Arund M w 70 m hr 669 kg m kg hr 3 3 () Fakultas Teknik-UNIVERSITAS WAHID HASYIM SEMARANG 73

3 Analisis Penurunan Perfrma Heat Exchanger (Muchammad) Berdasarkan Spesifikasi Desain Heat Exchanger Stabilizer Rebiler 0E0 besar ttal flw fluida HDO adalah kg/hr, pada aktualnya ttal flw HDO ditingkatkan sampai kg/hr akan tetapi perfrma dari heat exchanger tidak mengalami peningkatan secara signifikan sehingga dapat disimpulkan bahwa flw fluida HDO tidak menjadi penyebab menurunnya perfrma Heat Exchanger Stabilizer Rebiler 0E0. Analisis Temperatur Fluida Servis Temperatur aktual inlet fluida HDO 333,44 C jauh lebih besar dari temperatur desain pada yaitu sebesar 30 C dengan temperature utletnya 35 C. Sementara temperature utlet aktual 308,6 C sehingga didapat T HDO aktual sebesar 4,83 C jauh lebih kecil dari T HDO desain sebesar 67 C. Dapat dianalisa bahwa penyebab penurunan perfrma Heat Exchanger 0E0 bukan disebabkan karena temperatur inlet pemanas HDO tetapi karena penyerapan kalr yang kurang maksimal dimana hal ini di tunjukkan leh nilai T HDO aktual jauh lebih kecil dari T HDO desain. Analisis Perfrma Shell dan Shell Cver Berdasarkan hasil inspeksi visual seperti yang ditunjukkan leh Gambar 3., tidak ditemukan penipisan ataupun krsi yang berarti yang dapat menyebabkan heat lss sehingga dapat dianalisa bahwa shell dan shell cver bukan menjadi penyebab penurunan perfrma heat exchange. pengukuran menunjukkan tebal memimum sebesar 3, mm. Analisis Perfrma Tube Penurunan perfrma tube bisa di sebabkan karena tube yang ktr ataupun terdepsit. Berdasarkan inspeksi visual di dapat kndisi tube bundle terdepsit dan dipenuhi ktran seperti yang di tunjukkan leh Gambar 4. Gambar 4. Permukaan Tube Bundle Terlihat pada Gambar 6 ktran dan depsit pada tube bundle cukup parah, hal ini memungkinkan menyebabkan penurunan perfma pada heat exchanger. Oleh karenanya pengtr dan depsit pada tube perlu dihitung dengan mencari nilai fuling factr atau factr pengtran yaitu nilai batas pengtr yang terjadi pada heat exchanger secara aktual dimana nilainya dibandingkan dengan factr pengtran (fuling factr) yang diijinkan pada spesifikasi. Batas nilai fuling factr Heat Exchanger 0E0 yang diijinkan pada specificatin sheet adalah 0,004 ft hr F/BTU. Untuk menentukan fuling factr dari Heat Exchanger 0E0 dilakukan perhitungan berikut. Perhitungan Laju Perpindahan Panas Gambar 3. Permukaan Shell Cver dan Permukaan Shell Tebal desain shell adalah 3 mm dengan crssin allwance sebesar 3,75 mm sehingga tebal minimum yang diijinkan adalah 9,85 mm, sementara hasil pengukuran thickness shell adalah,64 mm. Begitu juga dengan ketebalan shell cver masih dalam kndisi baik dimana tebal desain adalah 3,5 dan crssin allwance sebesar 3,75 sehingga didapat tebal minimum shell cver adalah 0,35. Sementara hasil QHDO Mt Ct T () T T T F (3) T T Trata rata 60 F (4) (Trata T ) Ct Cti (Ct Ct i) (T T ) (60 588) (5) 0, 694 (0699 0, 694) (63 588) QHDO Mt Ct T 0,697BTU / lb F 7560, ,5BT U / hr (6) 74 e-issn

4 Mmentum, Vl. 3, N., Oktber 07, Hal ISSN Perhitungan Lg Mean Temperature Difference ( LMTD) (T t ) (T t ) LMTD T t ln T t th tc th ln tc F 54 ln 7 TT R,58 tt tt S 0,06 Tt (7) (8) (9) Dengan nilai R =,58 dan S = 0,06 berdasarkan Figure 3 LMTD Crrectin Factr TEMA didapat nilai Ft = 0,99. (TEMA, 996) LTMD Ft LTMD 0, (0) 03 F Perhitungan Luasan Aliran. Luasan Aliran Fluida Tube Dimana C = P t De s = 0,75 = 0,5 inchi IDs CB as 44Pt 5,80, 59, 5 44,736 ft (). Luasan Aliran Fluida Tube Berdasarkan Tabel 0 Heat Exchanger and Cndenser Tube Data Prcess Heat Transfer D.Q. Kern dengan ukuran De s = 0,75 = 3/4 inchi dan BWG 4 didapat nilai a t = 0,679 in (Kern dan Dnald Q., 965) Nt a 't at 44n 400, ,304 ft () Perhitungan Kecepatan Aliran Massa. Kecepatan Aliran Massa pada Shell Ms 7730 Gs lb hrft (3) s a,73 6. Kecepatan Aliran Massa pada Tube Mt 756 Gt 337 lb hr ft (4) at,304 Perhitungan Bilangan Reynld. Bilangan Reynld pada Shell DeGs 0, Res 05 s 0,9. Bilangan Reynld pada Tube IDtGt 0, Ret 836 t 0,56 45 (5) (6) Berdasarkan hasil perhitungan yang didapat jenis aliran yang terjadi di dalam shell maupun tube adalah aliran turbulen karena Re s dan Re t > 300. (Incrpera dkk., 996) Perhitungan Bilangan Prandtl. Bilangan Prandtl Pada Shell Css Pr s 0, 697 0, 9 0,36 s (7) k 0,64. Bilangan Prandtl Pada Tube Ct t Pr t 0, 7 0, 70, 0 t (8) k 0,4 Perhitungan Rasi Visksitas. Rasi Visksitas shell µs 0, 9 s,00 µs w 0, 9. Rasi Visksitas Tube µt 0, 56 t 0,97 µt w 0, 70 (9) (0) Perhitungan Kefisien Perpindahan Panas Dari Figure 8 Prcess Heat Transfer D.Q. Kern dengan nilai Res = 0545 sehingga didapat nilai dari JHs = 300. (Kern dan Dnald Q., 965) Dari Figure 4 Prcess Heat Transfer D.Q. Kern dengan nilai Ret = 836 dan L/IDt = Fakultas Teknik-UNIVERSITAS WAHID HASYIM SEMARANG 75

5 Analisis Penurunan Perfrma Heat Exchanger (Muchammad) 0/0,05 = 400 ft sehingga didapat nlai JHt = 400. (Kern dan Dnald Q., 965). Kefisien Perpindahan Panas pada Shell h ks JHs Prs s Des 3 0, ,36 0,75 6 B U h T ft r F. Kefisien Perpindahan Panas pada Tube hi kt JHt Pr t IDt t 3 0, 4 400,0 0, () () 3573 BTU ft hr F Perhitungan Kefisien Kreksi Perpindahan Panas Tube hi hi IDt t t ODt hi IDt hi t t ODt 0,05 0, ,06 888,75 (3) Kefisien Perpindahan Panas Menyeluruh saat Ktr Berdasarkan Tabel 0 Heat Exchanger and Cndenser Tube Data Prcess Heat Transfer Kern untuk OD tube = 0,75 in dan BWG = 4 maka di dapat nilai a = 0,963 ft (Kern dan Dnald Q., 965) A Nt La" 40 00, ,5 ft (4) Qt Ud ATLMTD 59375,5 5504, ,36 BTU/ft hr F (5) Kefisien Perpindahan Panas Menyeluruh saat Bersih hi h Uc hi h Perhitungan Faktr Pengtran Uc Ud Rd Uc Ud , 63 Rd , (6) (7) Berdasarkan hasil perhitungan didapat nilai fuling factr Rd = 0,007 ft hr F/BTU jauh lebih besar dari nilai tleransi yang diijinkan (fuling resistance) pada specificatin sheet yaitu 0,004 ft hr F/BTU, dari hal ini maka dapat disimpulkan bahwa ktran dan depsit yang menempel pada tube merupakan penyebab utama menurunnya perfrma Heat Exchanger Stabilizer Rebiler 0E50. Rekmendasi Perbaikan Heat Exchanger Stabilizer Rebiler 0E0 Dari hasil analisa yang didapatkan, penurunan perfrma terjadi karena terbentuknya ktran dan depsit di dalam heat exchanger yang menumpuk dalam jangka waktu dua tahun. Berdasarkan hal tersebut rekmendasi perbaikan yang diberikan yaitu prses pembersihan (cleaning) pada seluruh permukaan tube pada setiap dua tahun sekali dimana depsit dan ktran tersebut mulai terbentuk. Prses pembersihan dilakukan dengan water jet yaitu penyemprtan menggunakan air bertekanan (dengan campuran cairan chemical) untuk membersihkan ktran yang menempel pada permukaan tube. KESIMPULAN Berdasarkan analisa dan pembahasan mengenai penurunan perfrma Heat Exchanger Stabilizer Rebiler 0E0 diambil kesimpulan sebagai berikut:. Ketebalan shell paling tipis yang didapat dari hasil pengukuran adalah,64 mm lebih besar dari ketebalan shell minimal yang diijinkan yaitu 9,83 mm.. Ketebalan shell cver paling tipis yang didapat dari hasil pengukuran adalah 3, mm lebih besar dari ketebalan shell cver minimal yang diijinkan yaitu 0,33 mm. 76 e-issn

6 Mmentum, Vl. 3, N., Oktber 07, Hal ISSN Penyebab utama penurunan perfrma heat exchanger bukan disebabkan leh penipisan ketebalan shell maupun penurunan fluida servisnya (laju aliran dan temperatur fluida) tetapi dikarenakan perpindahan panas yang kurang sempurna karena adanya ktran yang menempel pada tube. 4. Dari hasil perhitungan faktr pengtran (fuling factr) didapat nilai Rd sebesar 0,003 ft hr F/BTU jauh melebihi nilai minimal pengtran yang diijinkan yaitu 0,004 ft hr F/BTU. 5. Untuk mengembalikan perfrma heat exchanger direkmendasikan perbaikan berupa pembersihan setiap dua tahun sekali pada seluruh permukaan tube baik bagian luar maupun bagian dalam dengan menggunakan water jet (dengan campuran cairan chemical). DAFTAR NOTASI a = Luas penampang aliran (ft ) a t = Luas aliran tiap tube (ft ) a = Surface per lin ft (ft ) B = Jarak baffle (inchi) C = Jarak antar tube (inchi) Cp = Panas jenis fluida di dalam shell/tube (BTU/lb F) De = Diameter ekuivalent bagian shell (inchi) F t = Faktr kreksi LTMD G = Kecepatan aliran massa (lb/ft hr) hi = Kefisien transfer panas pada air dalam tube (BTU/ft hr F) hi = Kefisien kreksi perpindahan panas tube (BTU/ft hr F) h = Kefisien transfer panas bagian luar tube (BTU/ft hr F) ID = Diameter dalam (ft) JH = Faktr transfer panas shell/tube k = Knduktifitas panas fluida bagian shell/tube (BTU/fthr F) L = Panjang tube (ft) LMTD = Lg Mean Temperature Difference ( F) M = Laju aliran massa (lb/hr) Nt = Jumlah tube n = Banyaknya pass pada bagian tube Pr = Bilangan Prandtl P t = Jarak antara sumbu tube (inchi) Q = Laju perpindahan panas (BTU/hr) Rd = Faktr kektran (ft hr F/BTU) Re = Bilangan Reynlds T c = Suhu rata-rata fluida panas ( F) t c = Suhu rata-rata fluida dingin ( F) T = Temperatur atas fluida panas ( F) t = Temperatur atas fluida dingin ( F) T = Temperatur bawah fluida panas ( F) t = Temperatur bawah fluida dingin ( F) Uc = Kefisien perpindahan panas saat bersih (BTU/fthr F) Ud = Kefisien perpindahan panas menyeluruh saat ktr (BTU/fthr F) w = Laju aliran fluida (ft 3 /hr) LMTD = Delta Lg Mean Temperature Difference ( F) T = Beda temperatur inlet dan utlet fluida ( F) µ = Visksitas inlet fluida (lb/fthr) µ w = Visksitas utlet fluida (lb/fthr) = Rasi visksitas pada sisi shell DAFTAR PUSTAKA Hlman, J.P.,(986). Perpindahan Panas, edisi ke enam, Erlangga, Jakarta. Incrpera, Frank P., dan Dewitt, David P., (996), Fundamental f Heat and Mass Transfer, 4th Editin, Jhn Wiley and Sns, United States f America. Kern, Dnald Q., (965), Prccess Heat Transfer, Mc Graw-Hill Internatinal Bk Cmpany, New Yrk. Standars f The Tubular Exchanger Manufacturers Assciatin (TEMA), (999), 8 th Editin, TEMA Inc., New Yrk. Fakultas Teknik-UNIVERSITAS WAHID HASYIM SEMARANG 77